CN108701842A

CN108701842A - 具有不对称的密封部分的双极板以及具有这种双极板的燃料电池堆

Info

Publication number: CN108701842A
Application number: CN201780010635.1A
Authority: CN
Inventors: A.吉拉尼
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-02-10
Filing date: 2017-02-01
Publication date: 2018-10-23
Anticipated expiration: 2037-02-01
Also published as: JP2019509590A; WO2017137292A1; EP3378117A1; JP6616519B2; KR102010205B1; EP3378117B1; KR20180115266A; US20190036130A1; US11228044B2; DE102016202010A1; CN108701842B

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池堆（10）的双极板（15），所述双极板（15）包括在所述双极板的第一侧面（151）上的第一密封部分（157）以及在所述双极板的第二侧面上的第二密封部分（158）。这些密封部分被构造为在燃料电池堆（10）中与弹性密封元件（16）密封地共同作用。规定：所述双极板（15）的第一和第二密封部分不对称地来构造，其方式是在所述第一密封部分（157）中构造有至少一个密封突出部（1571），而且所述第二密封部分（158）在没有密封突出部的情况下和/或基本上平地来构造。如果在燃料电池堆（10）中这样的双极板（15）与平地构造的密封元件（16）交替地共同作用，那么可以实现在所需的压紧力小的情况下堆的良好的密封。

Description

具有不对称的密封部分的双极板以及具有这种双极板的燃料电池堆

技术领域

本发明涉及用于燃料电池堆的双极板以及具有这种双极板的燃料电池堆。

背景技术

燃料电池利用了将燃料与氧气化学转化成水来产生电能。为此，燃料电池包含所谓的膜电极装置（MEA，针对membrane electrode assembly）作为核心组件，所述膜电极装置是由传导离子的（大多是传导氢离子的）膜和分别布置在该膜两侧的催化电极（阳极和阴极）构成的结构。后者大多包括被支承的贵金属、尤其是铂。此外，在膜电极装置两侧的气体扩散层（GDL）可以布置在电极的背离该膜的侧面上。燃料电池通常通过多个布置成堆（stack）的MEA形成，所述MEA的电功率相加。在各个膜电极装置之间通常布置有双极板（也称作流场板或隔膜板），所述双极板保证了给单个电池供应工作介质、即反应物，而且通常也用于冷却。此外，双极板还引起与膜电极装置的导电接触。

在燃料电池运行时，燃料（阳极工作介质）、尤其是氢气H₂或者含氢的气体混合物通过双极板的在阳极侧打开的流场被输送给阳极，在所述阳极，在释放电子的情况下从H₂电化学氧化成氢离子H⁺（H₂ → 2 H⁺ + 2 e^–）。通过电解质或者使反应室气密地彼此隔离并且电绝缘的膜，（水结地或者无水地）将氢离子从阳极区运输到阴极区。在阳极上提供的电子通过电线被引向阴极。氧气或含氧的气体混合物（例如空气）作为阴极工作介质通过双极板的在阴极侧打开的流场被输送给阴极，使得在吸收电子的情况下从O₂还原成O^2-（½ O₂+ 2 e^– → O^2-）。同时，氧离子在阴极区中在形成水的情况下与被运输经过所述膜的氢离子发生反应（O^2- + 2 H⁺ → H₂O）。

燃料电池技术的挑战是对燃料电池堆的液密的密封。这里，常常使用密封元件，所述密封元件与双极板交替地堆叠而且在堆的相对应的压紧的情况下弹性地变形。密封元件可以被用作单独的构件或者模制到双极板或膜电极装置上。在该上下文中尤其是公知将这种密封元件框架形地环绕着地模制到膜电极装置上。在此，密封元件通常配备有密封凸缘，所述密封凸缘与双极板的相对应的密封部分密封地共同作用（例如参见图4）。为了该目的，双极板的密封部分构造得具有凹陷部，密封凸缘啮合在所述凹陷部中。然而，双极板的对于这些凹陷部来说所需的薄的壁厚度导致该双极板的不稳定并且导致断裂的危险。这尤其是在由碳材料组成的双极板中是这种情况。由于在该设计下所需的高的压紧力，还可能发生密封元件的闭塞。最后，如果在制造燃料电池堆时发生双极板与密封元件之间或者两个相邻的双极板之间的横向错开，则存在密封圈的损坏以及材料应力大的问题。

US 2011/0159398 A1公开了具有密封突出部的双极板，所述密封突出部在燃料电池之内布置在膜电极装置的密封元件的区域内。密封突出部在密封圈两侧并且彼此错开地来布置。

JP 2006114227 A同样公开了具有密封突出部的双极板，所述密封突出部布置在膜电极装置的密封元件的区域内。密封突出部布置在密封圈两侧并且可以彼此错开地或者也可以彼此没有错开地来布置。

发明内容

现在，本发明所基于的任务在于：提出一种双极板以及一种燃料电池堆，利用所述双极板以及所述燃料电池堆至少部分地克服所描绘的现有技术的问题。

该任务通过具有独立权利要求的特征的双极板以及通过具有独立权利要求的特征的具有这种双极板的燃料电池堆来解决。

按照本发明的用于燃料电池堆的双极板包括：第一侧面，在所述第一侧面上构造有第一流场（用于运输燃料电池的第一工作介质）；和第二侧面，在所述第二侧面上构造有第二流场（用于运输燃料电池的第二工作介质）。双极板还包括包围第一流场的第一密封部分和包围第二流场的第二密封部分。在此，这些密封部分被构造为在燃料电池堆中与密封元件密封地共同作用。按照本发明，在双极板的第一密封部分中构造有至少一个密封突出部。此外，第二密封部分在没有这种密封突出部的情况下和/或基本上平地来构造。

在现有技术中布置在双极板的两侧上的两个密封部分具有彼此对置的或者彼此错开的密封突出部，而按照本发明，所述两个密封部分中的仅仅一个被构造得具有至少一个密封突出部，而第二密封部分基本上平地来构造。经此实现了多个优点。一方面，双极板的所述设计能够实现对平的密封元件的使用，所述平的密封元件在没有密封凸缘的情况下来构造。此外，取消了对常规的双极板的密封凹陷部的需求，弹性密封元件的密封凸缘插到所述密封凹陷部中。经此，明显提高了板稳定性。这种装置相对于双极板和密封元件的由制造造成的横向错开也不敏感。发明人已经确定：需要更小的压紧力来实现好的密封效果。

如果按照本发明的一个优选的设计方案，第二密封部分在其整个的、尤其是延伸直至双极板的边缘的宽度内在没有密封突出部的情况下和/或基本上平地来构造，那么之前提到的优点特别有用。

在本发明的范围内，任何凸出超过基板水平的密封元件都被理解为密封突出部，所述密封元件适合于在燃料电池堆中与弹性密封元件在对该弹性密封元件的局部压力作用下共同作用，以便使密封元件在密封突出部与密封元件之间的接触区上逐点地和/或局部地弹性地压缩。与此相应地，如按照本发明第二密封部分所具有的那样的没有密封突出部的构造方案意味着：不存在这种局部地和/或逐点地对密封元件起作用的凸起部。此外，在表述“基本上平地来构造”下理解为：密封部分也不具有如下凹陷部，所述凹陷部的尺寸可能会是适合的，弹性形变的密封元件可能会侵入到其中。

在本发明的一个有利的设计方案中，第二密封元件通过至少一个导槽来分段，其中该导槽关于双极板的对置的侧面的至少一个密封突出部错开地来布置。在此，该导槽可具有如下尺寸、尤其是导槽宽度，所述尺寸基本上不允许在施加压紧力的情况下变形的密封元件的侵入。通过由尤其是平行于第一密封部分的对置的密封突出部的导槽引起的所描述的分段，可以控制和调节在密封元件与双极板的密封部分之间的接触面积。也就是说在建模尝试中已经发现：利用第二密封部分的较狭窄的密封表面，在较低的所运用的密封力的情况下实现了较高的密封力或者在相同的所运用的密封力的情况下实现了更高的密封力。

双极板的构造在双极板的两个主侧面上的密封部分尤其是具有平行于双极板的侧边并且在双极板的侧边旁边的走向。因此，这些密封部分基本上环绕着地并且以封闭的形式包围双极板的整个表面。此外，包围双极板的主供应孔的密封部分也可以以按照本发明的形式来构造，尤其是其方式是在第一密封部分上构造相对应的密封突出部而且对置的第二密封部分在没有密封突出部的情况下和/或基本上平地来构造。

所述至少一个密封突出部可以关于其横截面具有如下任意的形状，所述任意的形状适合于在弹性密封元件的局部压缩下对该弹性密封元件起作用，使得实现密封。尤其是，这里考虑以尖细形状收尾的轮廓、矩形的轮廓、多边形轮廓，其中然而被倒圆的、例如半圆形的轮廓或者具有平坦的端面的被倒圆的轮廓是优选的，因为这种轮廓以均匀的密封应力和平缓的过渡部造成在密封突出部与密封元件之间的比较大的接触面积。易于理解的是：密封突出部在第一密封部分的长度内尤其是以封闭的并且未中断的形式凸缘形地延伸。所述至少一个密封突出部的高度也可以在一定程度上任意地被选择，以便就经优化的密封而言来选择，所述至少一个密封突出部相对于双极板的一般水平以所述高度凸出。

在本发明的优选的实施方案中，第一密封部分具有两个或者更多个密封突出部，所述密封突出部优选地彼此平行地走向，例如就双凸缘而言彼此平行地走向。通过配备有多个密封突出部，进一步提高了在双极板与弹性密封元件之间的接触面积，而且附加地在密封突出部上有漏损的情况下通过其它密封突出部的密封效果来维持在双极板与弹性密封元件之间的接触面积。

在本发明的另一实施方案中，第一密封部分具有唯一的密封突出部而第二密封部分通过至少一个导槽来分段，其中这里所述至少一个导槽在密封突出部中对置。在该设计方案中优选的是如下密封突出部，所述密封突出部具有被倒圆的轮廓，所述被倒圆的轮廓具有平坦的端面。此外，在该设计方案中，导槽、尤其是导槽宽度被确定尺寸为使得所述导槽允许在施加压紧力的情况下变形的密封元件的一定的侵入。

在本发明的一个设计方案中，双极板由第一板和第二板来构造，所述第一板和所述第二板彼此堆在一起。在此，第一板构造具有第一流场和第一密封部分的第一外侧，而第二板构造具有第二流场和第二密封部分的第二外侧。这些板可以材料配合地支配彼此，例如通过粘接或者焊缝来材料配合地支配彼此，或者可松开地通过其它密封元件来彼此挤压。优选地，在这两个板之间构造有第三流场，所述第三流场用于冷却剂的通过。

在由第一板和第二板来构造双极板的情况下，第二板在第二密封部分的区域内以比在第二密封部分之外更大的板厚度来构造。经此，提高了板相对于通过相邻的双极板的密封突出部施加的压力的稳定性。

在本发明的一个设计方案中，双极板由导电的碳基材料制成。在这种情况下，尤其是涉及石墨或者涉及由石墨和聚合物、例如环氧树脂构成的复合材料。碳基材料在下文也被称作碳材料。碳双极板具有低比重而且还具有如下优点：可以通过常见的成型方法（例如注塑）来制造而且具有高的造型自由度。例如，可以在两侧彼此无关地选择所述碳双极板的表面轮廓。与此相应地，金属双极板大多由金属片制成，所述金属片通过挤压来压型。经此，双极板的一侧的所希望的轮廓必然决定在其另一侧的轮廓。然而，因为碳双极板具有比金属双极板更低的断裂强度并且因此通常需要比金属双极板更大的壁厚度，所以按照本发明的双极板的优点尤其是在碳双极板中特别地表现出来，因为省去了用于嵌入密封元件的密封凸缘的凹陷部的必要。

本发明的另一方面涉及一种燃料电池堆，所述燃料电池堆具有多个交替地彼此重叠地布置的按照本发明的双极板以及弹性密封元件。该燃料电池堆的特点在于：密封元件至少在双极板的密封部分的区域内平坦地来构造。换言之，密封元件在双极板的密封部分的区域内不具有密封凸缘。该设计方案能够实现在材料应力小的情况下与按照本发明地造型的双极板的密封特别好的相互作用。尤其是通过如下方式来实现密封：双极板的所述至少一个密封突出部相对平坦的弹性密封元件起作用，使所述平坦的弹性密封元件相对于相邻的双极板的第二密封区域的基本上平的支承面压紧和压缩。

例如，弹性密封元件至少在密封部分的区域内具有均匀的厚度，所述均匀的厚度在100至500μm的范围内、尤其在150至400μm的范围内而且优选地在200至300μm的范围内。在个别情况下，根据密封需求来选择密封元件的厚度。

易于理解的是：燃料电池堆在双极板和密封元件之外也包括膜电极装置，所述膜电极装置与双极板交替地堆叠。在本发明的一个优选的实施方案中，弹性密封元件被构造为膜电极装置的部分，其中所述弹性密封元件特别优选地构造所述膜电极装置的环绕着所述膜电极装置的边缘区域。以这种方式，可以减少要相互堆叠的组件并且同时可以使膜电极装置稳定。

本发明的另一方面涉及一种燃料电池系统，所述燃料电池系统具有按照本发明的燃料电池堆。尤其是，该燃料电池系统除了燃料电池堆之外还具有阳极供应装置和阴极供应装置，所述阳极供应装置和阴极供应装置具有相对应的外围组件。

本发明的另一方面涉及一种车辆，所述车辆具有燃料电池系统，所述燃料电池系统具有按照本发明的燃料电池堆。该车辆优选地是电动车辆，其中由燃料电池系统产生的电能用于供应牵引电机和/或牵引电池组。

本发明的其它优选的设计方案从其余的、在从属权利要求中提到的特征中得到。

只要在个别情况下不另作解释，本发明的在本申请中提到的不同的实施方式就能有利地来彼此结合。

附图说明

随后，本发明在实施例中依据所属的附图来阐述。其中：

图1示出了燃料电池系统的方框电路图；

图2示出了对燃料电池堆的膜电极装置的俯视图；

图3示出了对燃料电池堆的双极板的俯视图；

图4示出了按照现有技术的燃料电池在其边缘部分的区域内的截面图，所述燃料电池包括两个双极板和一个布置在它们之间的密封元件，（A）：没有压缩，（B）：有被压缩了41%的密封元件；

图5示出了按照本发明的第一设计方案的燃料电池在其边缘部分的区域内的截面图，所述燃料电池包括两个双极板和一个布置在它们之间的密封元件，（A）：没有压缩，（B）：有被压缩了42%的密封元件，（C）：有被压缩了50%的密封元件；

图6示出了取决于根据图4和5的燃料电池的密封元件的压缩的不同的参数的变化过程，（A）：密封力，（B）：密封应力，（C）：最大拉应力；

图7示出了按照本发明的第二设计方案的燃料电池在其边缘部分的区域内的截面图，所述燃料电池包括两个双极板和一个布置在它们之间的密封元件，（A）：没有压缩，（B）：有被压缩了42%的密封圈，（C）：有被压缩了50%的密封圈；而

图8示出了按照本发明的第三设计方案的燃料电池在其边缘部分的区域内的截面图，所述燃料电池包括两个双极板和一个布置在它们之间的密封元件，（A）：没有压缩，（B）：有被压缩了50%的密封圈。

具体实施方式

图1示出了按照本发明的一个优选的设计方案的整体上用100来表示的燃料电池系统。燃料电池系统100是未进一步示出的车辆、尤其是电动车辆的部分，所述车辆具有牵引电机，所述牵引电机通过燃料电池系统100来供应电能。

燃料电池系统100具有燃料电池堆10作为核心组件，所述燃料电池堆具有多个布置成堆形的单个电池11，所述单个电池通过交替地堆叠的膜电极装置（MEA）14和双极板15来构造（参见详细片段）。因此，每个单个电池11都分别具有MEA 14，所述MEA具有这里未进一步示出的传导离子的聚合物电解质膜以及布置在所述聚合物电解质膜两侧的催化电极，即阳极和阴极，所述催化电极可以催化燃料电池转化的相应的子反应而且尤其是可以构造为在膜上的涂层。阳极电极和阴极电极都具有催化材料、例如铂，所述催化材料被支撑地存在于大的特定表面的导电载体材料（例如碳基材料）上。因此，在双极板15与阳极之间构造有阳极区12而在阴极与下一个双极板15之间构造有阴极区13。双极板15用于将工作介质输送到阳极区和阴极区12、13中并且还在各个燃料电池11之间建立电连接。可选地，气体扩散层可以布置在膜电极装置14与双极板15之间。

为了给燃料电池堆10供应工作介质，燃料电池系统100一方面具有阳极供应装置20而另一方面具有阴极供应装置30。

阳极供应装置20包括阳极供应路径21，所述阳极供应路径用于将阳极工作介质（燃料）、例如氢气输送到燃料电池堆10的阳极区12中。为了该目的，阳极供应路径21使燃料存储器23与燃料电池堆10的阳极入口连接。阳极供应装置20还包括阳极废气路径22，所述阳极废气路径将阳极废气从阳极区12经过燃料电池堆10的阳极出口排出。在燃料电池堆10的阳极侧12上的阳极工作压力能通过在阳极供应路径21中的调节装置24来调节。此外，阳极供应装置20可以如所示出的那样具有燃料再循环管道25，所述燃料再循环管道使阳极废气路径22与阳极供应路径21连接。燃料的再循环是常见的，以便将大多数过化学计量地使用的燃料送回所述堆并且使用大多数过化学计量地使用的燃料。

阴极供应装置30包括阴极供应路径31，所述阴极供应路径将含氧的阴极工作介质（尤其是空气）输送给燃料电池堆10的阴极区13，所述含氧的阴极工作介质从周围环境被吸入。阴极供应装置30还包括阴极废气路径32，所述阴极废气路径将阴极废气（尤其是排出空气）从燃料电池堆10的阴极区13中排出并且必要时将所述阴极废气输送给未示出的排气装置。为了输送和压缩阴极工作介质，在阴极供应路径31中布置有压缩机33。在所示出的实施例中，压缩机33被设计为主要电机地驱动的压缩机，对所述压缩机的驱动通过配备有相对应的功率电子装置35的电机34来实现。压缩机33还可以通过布置在阴极废气路径32中的（必要时具有可变的涡轮机几何形状的）涡轮机36辅助地通过共同的轴（未示出）地来驱动。

按照所示出的实施例，阴极供应装置30还可具有废气阀门管道37，所述废气阀门管道将阴极供应管道31与阴极废气管道32连接，即所述废气阀门管道是燃料电池堆10的旁路。废气阀门管道37允许：多余的空气质量流沿着燃料电池堆10伸展，而不关闭压缩机33。布置在废气阀门管道37中的调节装置38用于控制绕过燃料电池堆10的阴极工作介质的量。燃料电池系统100的所有调节装置24、26、38都可以构造为可调节或不可调节的阀或阀门。相对应的其它调节装置可以布置在管道21、22、31和32中，以便可以使燃料电池堆10与周围环境绝缘。

燃料电池系统100还可具有润湿模块39。一方面，润湿模块39布置在阴极供应路径31中，使得阴极工作气体能流过所述润湿模块。另一方面，润湿模块39布置在阴极供应路径32中，使得阴极废气能流过所述润湿模块。润湿器39通常具有多个水蒸气可渗透的膜，所述水蒸气可渗透的膜扁平地或者以空心纤维为形式地来构造。在此，比较干燥的阴极工作气体（空气）从这些膜的一个侧面溢出而比较潮湿的阴极废气（废气）从另一侧面溢出。受到在阴极废气中的水蒸气上的更高的分压驱使，发生水蒸气经过膜转移到阴极工作气体中，所述阴极工作气体以这种方式来润湿。

阳极供应装置和阴极供应装置20、30的其它不同的细节在简化的图1中出于清楚的原因而没有被示出。这样，在阳极废气路径和/或阴极废气路径22、32中可以建造脱水机，以便液化和排出从燃料电池反应中形成的产物水。最后，阳极废气管道22可通向阴极废气管道32，使得阳极废气和阴极废气通过共同的排气装置来排出。

图2和3分别以俯视图示出了按照本发明的示例性的膜电极装置14和双极板15。

两个构件被分成活跃区AA、供应区SA和分布区DA。活跃区AA的特点在于：在该区域内进行燃料电池反应。为了该目的，膜电极装置14在聚合物电解质膜两侧的活跃区AA中具有催化电极143。在供应区SA之内，供应孔144、145、146布置在膜电极装置14侧面或供应孔154、155、156布置在双极板15侧面，所述供应孔在堆叠状态下基本上彼此对准并且构造出主供应通道，所述主供应通道在燃料电池堆10的整个堆高度内贯穿所述燃料电池堆10。阳极入口孔和阳极出口孔144或154用于输送阳极工作气体，即燃料、例如氢气，以及用于使阳极废气在流出活跃区AA之后排出。阴极入口孔和阴极出口孔145或155用于输送阴极工作气体，所述阴极工作气体尤其是氧气或含氧的混合物、优选空气，以及用于使阴极废气在流出活跃区AA之后排出。冷却剂入口孔和冷却剂出口孔146或156用于输送和排出冷却剂。

MEA 14具有阳极侧141，所述阳极侧141在图2中可见。因此，所示出的催化电极143被构造为阳极，例如被构造为在聚合物电解质膜上的涂层。在图2中不可见的阴极侧142具有相对应的催化电极、这里是阴极。聚合物电解质膜可以在膜电极装置14的整个分布范围内延伸，但是至少可以在中央的活跃区AA内延伸。在其余的区域SA和DA中可以布置增强的载体膜，所述载体膜在两侧包围膜和活跃区AA并且框架形地围住膜和活跃区AA。至少在外部边缘区域（阴影区域）内，膜电极装置14还被弹性密封元件16框架形地包围，所述弹性密封元件由弹性聚合物材料、例如硅树脂或诸如此类的形成。弹性密封元件16可以与膜电极装置14材料配合地连接，使得所述弹性密封元件16是所述膜电极装置14的组成部分。

在图3中示出的双极板15具有：在图中可见的第二侧面、这里是阴极侧152；以及被盖住的第一侧面、这里是阳极侧151。在典型的实施方案中，双极板15由两个拼合在一起的二分之一板、即阳极板和阴极板来构造。在所示出的阴极侧152，工作介质通道153被构造为敞开的槽形通道结构，所述敞开的槽形通道结构使阴极入口孔155与阴极出口孔155连接而且所述敞开的槽形通道结构构造出第二流场、这里是阴极流场，用于引导阴极工作介质。仅仅示出了五个示范性的工作介质通道153，其中通常存在大得多的数目。这里不可见的阳极侧151同样具有相对应的工作介质通道，所述工作介质通道使阳极入口孔154与阳极出口孔154连接而且所述工作介质通道构造出第一流场、这里是阳极流场，用于引导阳极工作介质。用于阳极工作介质的这些工作介质通道也通常构造为敞开的、鳍形的通道结构。被包围的冷却剂通道在双极板15内部、尤其是在两个二分之一板之间延伸，所述冷却剂通道使冷却剂入口孔156与冷却剂出口孔156连接。

在双极板15的可见的第二阴极侧152的环绕着的边缘区域内构造有第二密封部分158，所述第二密封部分158在堆在一起的燃料电池堆10中与膜电极装置14的阴极侧142的密封元件16密封地共同作用。同样，在被盖住的第一阳极侧151的双极板15的环绕着的边缘区域内构造有第一密封部分157，所述第一密封部分157在燃料电池堆中与膜电极装置14的阳极侧141的密封元件16密封地共同作用。密封部分158、157的边界在图3中通过折断线来示出。如所示出的那样，供应孔154、155、156也可以在双极板15的两侧分别被相对应的第一和第二密封部分157、158环绕着地包围。

密封部分按照现有技术以及按照本发明的设计方案的构造方案在随后的附图中依据在燃料电池的边缘区域内的截面来示出。

图4以在电池的边缘区域内、也就是说在双极板15的边缘区域内的截面图示出了按照现有技术的燃料电池堆10的单个电池。示出了膜电极装置14，密封元件16沿边缘地模制到所述膜电极装置14上。具有密封元件16的膜电极装置14布置在两个双极板15之间。膜电极装置14包括层压部147，所述层压部147由一个聚合物电解质膜以及两个在两侧涂层在其上的催化电极（未详细地示出）、即阳极和阴极组成。在层压部147两侧分别布置有气体扩散层148。

弹性密封元件16具有平的扁平的本体161以及两个密封凸缘162。与膜电极装置14的连接通过法兰式地构造的连接部分163来构造，所述连接部分163在两侧包围MEA 14的边缘区域。

双极板15分别由两个二分之一板组成，即第一二分之一板15A（阳极板）以及第二二分之一板15K（阴极板）。在双极板15的在图4中示出的密封部分中，这些双极板不仅在其阳极侧151而且在其阴极侧152都分别具有凹陷部，密封元件16的密封凸缘162贴靠在所述凹陷部中。密封凸缘162的典型直径（从该密封凸缘的最低点直至该密封凸缘的最高点来测量）在1至3mm的量级，在所示出的示例中为1.1mm，而双极板15的凹陷部的典型宽度在3-10mm的范围内，这里为5.2mm。

在施加压缩力之后，发生密封凸缘162的弹性压缩，如在图4B中示出的那样，使得双极板的支承面与密封元件16的本体161或与膜电极装置114发生接触。在所示出的示例中，这在密封凸缘162被压缩了41%的压缩比下是情况如此。为此，需要比较高的压紧力。此外，在图4中示出的设计下不利的是：在所示出的密封部分的凹陷部的区域内存在双极板15或其二分之一板15A、15K的薄的壁厚度，使得在该区域内可能发生不稳定和断裂。还有问题的是：在双极板15相对于密封元件16的由制造造成的横向移动的情况下可能发生密封效果的损失，也就是说当密封凸缘162与凹陷部的边缘发生接触时可能发生密封效果的损失。这种情况还导致在密封元件16中的应力并且降低该密封元件16的使用寿命。在常常出现的过度压缩的情况下，还存在密封圈闭塞的危险。最后，所示出的造型需要连接部分163，以便建立与MEA 14的连接。

为了解决这些问题，按照本发明的双极板15如在图5中示出的那样具有该双极板15的密封部分157、158的不对称的造型。在随后的附图中，针对相同的要素使用与在图4中相同的附图标记。

按照本发明，构造在阳极板的第一侧面151上的第一密封部分157具有至少一个密封突出部1571、在所示出的示例中是两个密封突出部1571。密封突出部1571的特点在于：所述密封突出部1571的高度h_D相对于阳极板15A的基本高度h_A更高，使得所述密封突出部1571相对于阳极板15A的基本高度h_A凸出。而构造在阴极板15K的阴极侧152上的第二密封部分158被构造得没有这种密封突出部，而且具有基本上平的支承面1581。第二密封部分158的所述平的并且构造得没有密封突出部的支承面1581优选地延伸直至双极板15的边缘（在该图像左侧）。在所示出的实施方案中，第二二分之一板15K在第二密封部分158的区域内的板厚度h_F大于二分之一板15K在第二密封部分158之外的基本厚度h_B。这导致在该区域内的稳定性改善。

如在图5中示出的那样，密封突出部1571还可以布置在第一二分之一板15A的下沉部分1572中。下沉部分1572具有板厚度h_R，所述板厚度h_R相对于第一二分之一板15A的基本板厚度h_A减小。同样可以规定：第二密封部分158的被提高的支承面1581布置在第二二分之一板15K的下沉部分1582之内。

双极板15的按照本发明的设计方案显示出该双极板15的最好的密封效果，如果该双极板15如在图5中示出的那样与至少在该双极板15的密封部分157、158的区域内平坦地构造的密封元件16相结合地被使用的话。换言之，这种密封元件16至少在该边缘区域内具有例如为250μm的均匀厚度。

图5B和5C示出了来自图5A的在如下状态下的燃料电池10，在所述状态下，密封元件16通过相对应的压紧力的作用在密封突出部1571的区域内被压缩了42%或50%的压缩比。在图5B和5C中分别只示出了上面的双极板的阳极板15A和下面的双极板的阴极板15K。可看出：不同于在根据图4的常规设计下，在按照本发明的设计下，没有压紧力对与MEA 14的连接部分163起作用。因而，在本发明的范围内也可能的是，省去隆起的连接部分163并且选择与MEA 14的连接的另一形式。

在计算机仿真下，已经针对在图4和5中示出的燃料电池10，根据相应的密封元件16的压缩来确定不同的物理参数。在此，以虚线示出的曲线分别示出了针对在图4中示出的按照现有技术的燃料电池10的变化过程，而实线曲线分别示出了针对在图5中示出的按照本发明的燃料电池10的变化过程。图6A示出了密封力，必须使用所述密封力，以便达到密封元件16的确定的压缩比。可看出：在整个变化过程内，针对按照本发明的燃料电池10所要使用的密封力比针对常规的燃料电池所要使用的密封力小得多。为了例如得到未被压缩的密封元件16的被压缩了40%的压缩比，在按照本发明的设计下仅须使用大约0.75N/mm的力，而在常规的燃料电池中对于相同的压缩来说需要几乎3N/mm的力。此外，常规的燃料电池的最大压缩被限制到约42%（参见图4B）。

图6B示出了所达到的密封应力根据压缩比的变化过程。在该仿真下，按照本发明的燃料电池的所达到的密封应力或密封力仅仅不显著地低于常规的电池的所达到的密封应力。密封应力是燃料电池的所达到的密封性的量度。例如，在常规设计下，为了达到1MPa的密封应力，按照1.7N/mm的密封力需要大约35%的压缩比。而按照本发明的电池为了相同的为1MPa的密封应力而需要几乎40%的压缩比，然而所述几乎40%的压缩比以小得多的为0.75N/mm的密封力达到。预期的是：通过进一步优化密封突出部以及密封元件16的厚度，得到至少像在常规设计下那么大的密封应力。

图6C示出了在密封元件16的材料中的最大拉应力作为压缩的函数的变化过程。这里表明：在按照本发明的设计下的最大拉应力小于在常规的电池中的最大拉应力。因此，对于按照本发明的设计来说预期密封元件16的使用寿命被延长。

相同的仿真是针对按照本发明的燃料电池来执行的，如果阳极板15A相对于阴极板15K按照图5中的图示向右错开250μm地来布置的话。按预期，这一点在实际上丝毫没有影响结果（未示出）。

在图7中示出了按照本发明的第二设计方案的按照本发明的燃料电池10（这里已经省去了MEA 14的图示）。分别只示出了上面的双极板15的阳极板15A和下面的双极板的阴极板15K。不同于在图5中示出的实施方案，按照图7的实施方案的区别在于：阴极板15K的密封部分158的支承面1581具有导槽1583，支承面1581通过所述导槽1583来分段。在这种情况下，导槽1583与阳极板15A的密封突出部1571错开地布置，使得导槽1583和密封突出部1571没有对置。导槽1583还具有如下尺寸、尤其是宽度，所述尺寸阻止密封元件16侵入到导槽1583中。将阴极板15K的支承面1581构造在密封部分158中允许控制在密封元件16与板15A和15K之间的接触面积。图7A和7B又示出了密封元件16在42%或50%的压缩比的情况下的变形。

在图8中还示出了按照本发明的燃料电池10的另一设计方案，其中图8A示出了未被压缩的状态而图8B示出了在密封元件16的为50%的压缩比的情况下的燃料电池10。这里已经省去了MEA 14的图示。在该示例中，阳极板15A的密封部分157仅仅具有唯一的相对宽的密封突出部1571，所述密封突出部1571具有被倒圆的轮廓，所述被倒圆的轮廓具有平坦的端面。阴极板15K的对置的密封部分158通过这里两个导槽1583来分段，所述两个导槽1583的导槽宽度被选择得比在图7中更大。此外，导槽1583布置为使得这些导槽1583与阳极板15A的密封突出部1571对置。这在施加压紧力时导致：如可在图8B中看出的那样，密封元件16部分地被压进导槽1583中。

附图标记列表

100 燃料电池系统

10 燃料电池堆

11 单个电池

12 阳极区

13 阴极区

14 膜电极装置（MEA）

141 阳极侧

142 阴极侧

143 催化电极/阳极

144 供应孔/阳极入口孔或阳极出口孔

145 供应孔/阴极入口孔或阴极出口孔

146 供应孔/冷却剂入口孔或冷却剂出口孔

147 由聚合物电解质膜和催化电极构成的层压部

148 气体扩散层

15 双极板（隔膜板、流场板）

15A 第一二分之一板/阳极板

15K 第二二分之一板/阴极板

151 第一侧面/阳极侧

152 第二侧面/阴极侧

153 工作介质通道/阳极通道或阴极通道/第一或第二流场

154 供应孔/阳极入口孔或阳极出口孔

155 供应孔/阴极入口孔或阴极出口孔

156 供应孔/冷却剂入口孔或冷却剂出口孔

157 第一密封部分

1571 密封突出部

1572 下沉部分

158 第二密封部分

1581 支承面

1582 下沉部分

16 密封元件

161 本体

162 密封凸缘

163 连接部分

20 阳极供应装置

21 阳极供应路径

22 阳极废气路径

23 燃料箱

24 调节装置

25 燃料再循环管道

30 阴极供应装置

31 阴极供应路径

32 阴极废气路径

33 压缩机

34 电机

35 功率电子装置

36 涡轮机

37 废气阀门管道

38 调节装置

39 润湿模块

AA 活跃区（反应区，active area）

SA 供应区（supply area）

DA 分布区（distribution area）

h_A 第一二分之一板/阳极板的基本厚度

h_K 第二二分之一板/阴极板的基本厚度

h_D 密封突出部的高度

h_R 在下沉部分中的壁厚度

h_F 支承面的壁厚度

Claims

1.用于燃料电池堆（10）的双极板（15），所述双极板（15）包括：第一侧面（151），在所述第一侧面（151）上构造有第一流场；和第二侧面（152），在所述第二侧面（152）上构造有第二流场（153）；以及包围所述第一流场的第一密封部分（157）；和包围所述第二流场（153）的第二密封部分（158），其中所述密封部分（157、158）被构造为在燃料电池堆（10）中与弹性密封元件（16）密封地共同作用，其特征在于，在所述第一密封部分（157）中构造有至少一个密封突出部（1571），而且所述第二密封部分（158）在没有密封突出部的情况下和/或基本上平地来构造。

2.根据权利要求1所述的双极板（15），其特征在于，所述第二密封部分（158）在其整个宽度内在没有密封突出部的情况下和/或基本上平地来构造。

3.根据权利要求1或2所述的双极板（15），其特征在于，所述第二密封部分（158）通过至少一个导槽（1583）来分段，其中所述导槽（1583）关于所述至少一个密封突出部（1571）错开地布置。

4.根据上述权利要求之一所述的双极板（15），其特征在于，所述第一密封部分（157）的至少一个密封突出部（1571）在横截面方面具有被倒圆的轮廓或者带有平坦的端面的被倒圆的轮廓。

5.根据上述权利要求之一所述的双极板（15），其特征在于，所述第一密封部分（157）具有唯一的密封突出部（1571）而且所述第二密封部分（158）通过至少一个导槽（1583）来分段，其中所述至少一个导槽（1583）与所述密封突出部（1571）对置。

6.根据上述权利要求之一所述的双极板（15），其特征在于，所述双极板（15）由相互堆在一起的第一和第二二分之一板（15A、15K）来构造，而且第二二分之一板（15K）在所述第二密封部分（158）的区域内的板厚度（h_F）基本上等于或者大于在所述第二密封部分（158）之外的基本厚度（h_B）。

7.根据上述权利要求之一所述的双极板（15），其特征在于，所述双极板（15）由导电的碳基材料制成，尤其是由石墨或石墨-聚合物复合材料制成。

8.燃料电池堆（10），所述燃料电池堆（10）包括多个交替地彼此重叠地布置的根据上述权利要求之一所述的双极板（15）以及弹性密封元件（16），其特征在于，所述密封元件（16）至少在所述双极板（15）的密封部分（157、158）的区域内平坦地来构造。

9.根据权利要求8所述的燃料电池堆（10），其特征在于，所述弹性密封元件（16）具有均匀的厚度，所述均匀的厚度在100至500μm的范围内、尤其在150至400μm的范围内而且优选地在200至300μm的范围内。

10.根据权利要求8至9之一所述的燃料电池堆（10），其特征在于，所述弹性密封元件（16）是膜电极装置（14）的部分，尤其是构造出所述膜电极装置（14）的边缘区域。